Klassische Härteprüfverfahren

Die klassischen Härteprüfverfahren

Frühzeitig begann bereits die Standardisierung der Härteprüfung. 1900 stellte Johan August Brinell auf der Weltausstellung in Paris den genormten Kugeldruckversuch vor. Wohl kaum hat sich jemals ein Materialprüfungsverfahren in derart kurzer Zeit so allgemein eingeführt und so viele Anhänger erworben. Die Erklärung hierfür ist in den hervorragenden Eigenschaften dieser Methode, insbesondere in ihrer Einfachheit und Brauchbarkeit für die industrielle Praxis zu finden. Angeregt durch ihre vielseitige Verwendbarkeit befassten sich denn auch gar bald eine Reihe hervorragender Wissenschaftler und Praktiker mit den theoretischen Grundlagen und praktischen Anwendungsmöglichkeiten und Anwendungsgebieten der Brinellschen Kugeldruckprobe. Der große Verdienst von Brinell ist es neben der Erfindung das Verfahren systematisiert zu haben und die Einführung der Belastungsgrade, die eine proportionalen Anstieg der Prüflast im Verhältniss zum Kugeldurchmesser sicherstellten. Somit wurde erstmals eine reproduzierbare Härteprüfung gewährleistet und Prüfergebnisse verschiedener Prüflabore wurden vergleichbar. Jedoch kam die Brinellhärteprüfung schnell an Ihre Grenzen, sehr harte Teile lassen sich nicht Prüfen und auch kleine Teile und Beschichtungen sind mit der Brinellhärte nicht Prüfbar.

1914 haben die Brüder Stanley P. + Hugh M. Rockwell das Rockwellprüfverfahren zum Patent angemeldet und 1919 das Patent erhalten. Hiermit war es erstmals möglich sehr harte Teile mittels eines Diamantkegels zu Prüfen. Die Rockwellhärteprüfung ist aufgrund Ihrer einfachen und sicheren Handhabung, heute das am meisten genutzte Härteprüfverfahren. Aber auch hier gab es das Problem das keine Beschichtungen und keine sehr kleinen Teile geprüft werden konnten.

1922 wurde bei den Vickers Flugzeugwerken in England von den beiden Ingenieuren Robert L. Smith und George E. Sandland das bekannte Vickers Härteprüfverfahren entwickelt. Da im Flugzeugbau schon immer die Leichtbauweisen existierte und bereits sehr früh mit kleinen und leichten Bauteilen und Beschichtungen gearbeitet wurde, ist es logisch das dieses Verfahren bei einem Flugzeugwerk entwickelt wurde, bereits 1923 wurde in den USA das Patent erteilt. Die Härte Vickers ist eine Ableitung aus der Brinellhärte und daher mit dieser gut korrelierend.

Härteprüfung nach Brinell

Genormt ist die Brinellhärteprüfung in der DIN EN ISO 6506, Metallische Werkstoffe-Härteprüfung nach Brinell, Teil 1-3 und der ASTM E10.

Beschreibung	Brinellhärte, schematischer Prüfaufbau und Formel	Schreibweise und Einsatzbereich der Brinellhärteprüfung
Die vom schwedischen Ingenieur Johan August Brinell entwickelte und auf der Weltausstellung im Jahre 1900 in Paris präsentierte Methode der Härteprüfung kommt bei weichen bis mittelharten Metallen wie unlegierten Baustahl, Aluminiumlegierungen, bei Holz (ISO 3350) und bei Werkstoffen mit ungleichmäßigem Gefüge, wie etwa Gusseisen, zur Anwendung. Es war die Absicht Brinells, eine Härteprüfmethode in die Technik einzuführen, welche einmal für praktische Zwecke genügend genaue Ergebnisse liefert, aber auch schnell und zuverlässig durch jeden durchgeführt werden kann. Auch sollte der zu verwendende Eindringkörper einfach zu beschaffen und der Prüfling sollte möglichst das Bauteil oder das Halbzeug sein. In der Erfüllung dieser Bedingungen liegt unter anderem der Erfolg der Härteprüfung nach Brinell. Brinell führte auch das System des Belastungsgrades ein. Mit dem Belastungsgrad kann sichergestellt werden, dass unabhängig von der Prüflast die Härte gleich geprüft wird, wenn zwischen Kugel Ø und Prüflast ein proportionaler Anstieg vorhanden ist. Es sind 4 Belastungsgrade für die verschiedenen Werkstoffe vorhanden 1 - 2,5 - 5 - 10 - (15) - 30 (von Brinell stammen die Fett geschriebenen Belastungsgrade), mittels des Belastungsgrades und dem KugelØ zum Quadrat, kann die Prüflast ausgerechnet werden. Beispiele Kugel Ø 2,5mm2 x Belastungsgrad 30 = 2,5 x 2,5 x 30 = 187,5 kp Prüflast Kugel Ø 5mm2 x Belastungsgrad 30 = 5 x 5 x 30 = 750 kp Prüflast Kugel Ø 2,5mm2 x Belastungsgrad 10 = 2,5 x 2,5 x 10 = 62,5 kp Prüflast Kugel Ø 5mm2 x Belastungsgrad 10 = 5 x 5 x 10 = 250 kp Prüflast Wird also jetzt bei einsprechender Bauteilgröße mit dem Belastungsgrad 10 (für Kupfer) oder 30 (für Stahl) geprüft ist das Prüfergebnis theoretisch gleich, unabhängig davon mit welchem Kugel Ø geprüft wird, wenn der Belastungsgrad gleich bleibt. Bei der Brinellhärteprüfung wird eine Hartmetallkugel mit einem definierten Ø mm, einer definierten Kraft F und einer definierten Zeit s, in die Oberfläche der Probe gedrückt. Nach Rücknahme der Prüfkraft wird der verbliebene Eindruckdurchmesser mit einem Mikroskop oder einer Meßlupe ausgemessen. Hierbei wird der Eindruckdurchmesser d auf 1/100 mm genau ausgemessen (bei unrundem Eindruck wird der Mittelwert aus zwei senkrecht aufeinanderstehenden Durchmessern gebildet). Die Brinellhärte ist proportional zu dem Quotienten, der aus der Prüfkraft geteilt durch die gekrümmte Oberfläche des Eindruckes berechnet wird. Es wird davon ausgegangen, dass der Eindruck die Form des unbelasteten kugelförmigen Eindringkörpers annimmt und seine Oberfläche wird nach der in nebenstehenden Gleichung berechnet aus dem mittleren Eindruckdurchmesser und dem Kugeldurchmesser. Der Härtewert wird vor das Kurzzeichen HB gesetzt. Vor Einführung der SI-Einheit "Newton" (N) wurde die Prüfkraft F in kp eingesetzt, so daß sich als Einheit der Brinellhärte kp/mm² ergab. Da nach internationaler Vereinbarung bei Einführung der Einheit Newton die Zahlenwerte der verschiedenen Härteprüfverfahren unverändert bleiben sollen, gilt nunmehr die Berechnungsformel mit F in Newton, hierzu wurde der HB Formel der Faktor 0,102 zugefügt, eine Einheit wird nicht mehr angegeben. Da neben dem sichtbaren Eindruck ein noch größerer nicht sichtbarer Verformungsbereich des Härteeindruckes vorhanden ist müssen für Härteeindrücke untereinander mindest Abstände und Dicken eingehalten werden. Der Abstand des Mittelpunktes jedes Prüfeindruckes vom Rand der Probe muss mindestens das Zweieinhalbfache des mittleren Eindruckdurchmessers betragen der Mittelpunkte zweier nebeneinander liegender Prüfeindrücke muss mindestens das Dreifache des mittleren Eindruckdurchmessers betragen Die Dicke der Probe muss mindestens das Achtfache der Eindringtiefe betragen. Werte für die Mindestprobendicke in Abhängigkeit vom mittleren Eindruckdurchmesser sind in DIN EN ISO 6506, Teil 1, Anhang B (normativ)Tabelle B.1, in Abhängigkeit vom KugelØ angegeben. sichtbare Verformungen auf der Rückseite der Probe können ein Anzeichen dafür sein, dass die Probe zu dünn ist.	Schematischer Prüfaufbau Formel Schreibweise der HB Härte Wie bei allen Härteprüfverfahren wird immer erst die Härtezahl dann das Prüfverfahren dann die Prüfbedingungen geschrieben	Einsatzbereich der Brinellhärteprüfung Querschliff durch einen HB Eindruck, geätzt nach Heyn, gut erkennbar die nicht sichbare Verformung in die Tiefe. Tabelle der mindestes Probendicke

Härteprüfung nach Vickers

Genormt ist die Vickershärteprüfung in der DIN EN ISO 6507, Metallische Werkstoffe-Härteprüfung nach Vickers, Teil 1-3 und der ASTM E 92 / E 384

Beschreibung	Vickershärte Schematischer Prüfaufbau, Formel und Schreibweise	Vickershärteprüfung
Da die Ermittlung der Brinellhärte über 400 HB wegen der Abplattung der Prüfkugel Schwierigkeiten machte, wurde 1921 nach Ideen von Smith und Sandland in den englische Vickers Flugzeugwerken ein neues Härteprüfverfahren entwickelt, bei dem als Eindringkörper eine vierseitige regelmäßige Diamantpyramide mit 136° Spitzenwinkel zwischen den gegenüberliegenden Flächen benutzt wird (die Spitze ist nicht abgerundet und erscheint selbst unter dem Mikroskop als Spitze). Im übrigen zeigt der Vickersversuch große Ähnlichkeit mit dem Brinellversuch, da Smith und Sandland den Winkel der Pyramyde direkt aus der Brinellkugel abgeleitet haben, siehe Bild. Bei der Vickershärteprüfung wird die Diamantpyramide mit einer definierten Kraft F und einer definierten Zeit s, senkrecht in die Oberfläche der Probe gedrückt. Nach Rücknahme der Prüfkraft wird der verbliebene Eindruck mit einem Mikroskop oder einer Meßlupe ausgemessen. Hierbei werden die Diagonalen d1 und d2 des Eindruckes, der nach Rücknahme der Prüfkraft F auf der Prüffläche entsteht, werden gemessen. Die Vickershärte ist proportional dem Quotienten aus der Prüfkraft und der Oberfläche des Eindrucks, der als gerade Pyramide mit quadratischer Grundfläche und gleichem Winkel wie der Eindringkörper angenommen wird. Der Härtewert wird vor das Kurzzeichen HV gesetzt. Vor Einführung der SI-Einheit "Newton" (N) wurde die Prüfkraft F in kp eingesetzt, so daß sich als Einheit der Vickershärte kp/mm² ergab. Da nach internationaler Vereinbarung bei Einführung der Einheit Newton die Zahlenwerte der verschiedenen Härteprüfverfahren unverändert bleiben sollen, gilt nunmehr die Berechnungsformel mit F in Newton, hierzu wurde der HV Formel der Faktor 0,102 zugefügt, eine Einheit wird nicht mehr angegeben. Da neben dem sichtbaren Eindruck ein noch größerer nicht sichtbarer Verformungsbereich des Härteeindruckes vorhanden ist müssen für Härteeindrücke untereinander mindest Abstände eingehalten werden, hier gilt die Regel, die Dicke der Probe muss mindestens das Achtfache der Eindringtiefe betragen. In der Norm gibt es hierzu nebenstehende Tabelle dies erleichtert die Arbeit. Da neben dem sichtbaren Eindruck ein noch größerer nicht sichtbarer Verformungsbereich des Härteeindruckes vorhanden ist müssen für Härteeindrücke untereinander mindest Abstände und Dicken eingehalten werden. Der Abstand des Mittelpunktes jedes Prüfeindruckes vom Rand der Probe muss für die Werkstoffe wie Stahl, Kupfer und Kupferlegierungen mindestens das Zweieinhalbfache der mittleren Diagonalenlänge betragen wie Leichtmetalle, Blei, Zinn und deren Legierungen mindestens das Dreifache der mittleren Diagonalenlänge betragen Der Abstand der Mittelpunkte zweier nebeneinander liegender Prüfeindrücke muss für die Werkstoffe wie Stahl, Kupfer und Kupferlegierungen mindestens das Dreifache der mittleren Diagonalenlänge betragen wie Leichtmetalle, Blei, Zinn und deren Legierungen mindestens das Sechsfache der mittleren Diagonalenlänge betragen wenn zwei nebeneinander liegende Prüfeindrücke sich in ihrer Größe unterscheiden, dann muss der Mindestabstand auf der Grundlage der mittleren Diagonalenlänge des größeren Prüfeindruckes bestimmt werden. Weiter Randbedingungen Die Dicke der Probe muss mindesten den in DIN EN ISO 6507 Metallische Werkstoffe – Härteprüfung nach Vickers– Teil 1: Prüfverfahren, Anhang A (normativ) Bild A.1, geforderten Werten entsprechen. An ebenen Oberflächen darf die Differenz zwischen den Längen der beiden Diagonalen eines Eindruckes nicht größer als 5 % sein, ist die Differenz größer, muss es im Prüfbericht angegeben werden. Leider gibt die Norm keinen Hinweis wie die Diagonalen zueinander in Beziehung zu setzen sind. Je nach dem welche der Diagonalen als Bezugsgröße für die Berechnung genommen wird erhält man unterschiedliche Ergebnisse, siehe nebenstehendes Beispiel. Videomesssysteme und automatische Bildauswertung Die Auswertung der Vickershärteeindrücke mit Videosystemen oder mit Bildanalysesystemen ist in der Zwischenzeit weit verbreitet, vor dem Einsatz solcher Systeme sind diese auf Ihre Tauglichkeit zu überprüfen, diese ist nicht immer gegeben. Leider wird in der DIN EN ISO 6507 in keiner Weise auf diese Thematik eingegangen, obwohl diese System seit mehr als 25 Jahren eingesetzt werden. Die Anzahl der Fehlerquellen beim Einsatz von Video- und Bildanalysesystemen sind viele, die nachfolgenden Grundregeln sollten beim Einsatz dieser Systeme immer eingehalten werden: Härteeindrücke unter d = 0,05mm (50µm), sind mit einem Objektiv 40x und numerischer Apertur von 0,6 zu vermessen Das Messmikroskop sollte eine Köhlersche Beleuchtung haben Die Videokamera sollte ein Schwarz-Weiß Kamera sein Bei der Kamera sind extrem hohe Pixelzahlen nicht erforderlich, die Auflösung wird von der Optik und nicht von der Pixelzahl begrenzt. Lichtoptisch ist die Auflösungsgrenze lt. Abbe bei 0,0002mm (0,2µm) begrenzt. Die aufgenommenen Bilder dürfen nicht mit elektronischen Filtern (Sharpening) verändert werden, dies lässt die Norm nicht zu, nicht selten führen solche Filterungen zu Fehlmessungen, da die Eindruckgröße manipuliert wird. Gerade bei kleineren Härteeindrücken kann ein solcher Fehler überproportional das Ergebnis verfälschen. Nach Norm sollten Vergrößerungen so gewählt werden, dass die Diagonale mindestens auf 25 %, aber höchstens auf 75 % des Gesichtsfeldes vergrößert wird. Die untere Grenze ist logisch bei einer Okularvermessung, bei einer Auswertung im Videobild kann es bei nur 25% Bildfeld bereits einen relevanten Pixelfehler geben, der die Prüfergebnisse deutlich verfälscht. Höchstens 75% macht bei Okularvermessung nur Sinn wenn Objektive mit einem ausgeprägten Astigmatismus eingesetzt werden, die eine massive Bildverzerrung am Rand aufweisen. Bei einer Auswertung im Videobild ist eine Begrenzung unnötig, da hier eigentlich die Größtmögliche Ausnutzung des Bildfeldes erfolgen sollte, damit evtl. Pixelfehler so klein wie möglich gehalten werden. Grundsätzlich sollten Härteprüfmaschinen eine ausreichende Anzahl an Objektiven aufweisen um alle möglichen Vergrößerungen abzudecken, sind diese Objektive nicht vorhanden kann nicht ausreichend genau gemessen werden.	Schematischer Prüfaufbau Formel Ableitung HV aus HB Schreibweise HV Härte Wie bei allen Härteprüfverfahren wird immer erst die Härtezahl dann das Prüfverfahren dann die Prüfbedingungen geschrieben	Einsatzbereich der Vickershärteprüfung Querschliff durch einen HV Eindruck, geätzt nach Heyn, gut erkennbar die nicht sichbare Verformung in die Tiefe. Graphik der mindest Probendicke, mit eingezeichneten Beispielen der Mindestprobendicke 1000 HV 10 = ca. 0,18 mm Mindestprobendicke 500 HV 10 = ca. 0,27 mm Mindestprobendicke Diagonale Auswertung unterschiedlicher Härteeindrücke Je nach dem welche der Diagonalen als Bezugsgröße für die Berechnung genommen wird erhält man unterschiedliche Ergebnisse
Einteilung der Vickershärteprüfverfahren Die Vickershärteprüfung wird nach DIN 6507 Teil 1, in 3 Unterverfahren eingeteilt Vickers-Mikrohärteprüfung Vickers-Kleinkrafthärteprüfung Vickers-Härteprüfung (Makrohärteprüfung) zusätzlich gibt es die nicht genormte Nanohärteprüfung mit Prüflasten < 0,01 kgf Diese Einteilung der Vickershärteprüfverfahren macht Sinn, da für diese einzelnen Lastbereiche unterschiedliche Genauigkeiten der Härteprüfdiamanten gefordert werden und auch die Härteprüfmaschinen im Aufbau stark unterschiedlich sein können. Die Definition der Vickers-Mikrohärteprüfung wurde bereits 1960 von Dr. H. Bückle ausführlich beschrieben, einschließlich der daraus bestehenden Definitionsproblematik.

Härteprüfung nach Rockwell

Genormt ist die Rockwellhärteprüfung in der DIN EN ISO 6508, Metallische Werkstoffe-Härteprüfung nach Rockwell, Teil 1-3 und der ASTM E 18

Beschreibung	Rockwellhärte Schematischer Prüfaufbau, Prüfzyklus und Schreibweise	Zeichnung aus der Patentanmeldung Rockwellverfahren
Das bereits 1914 von den Brüdern Stanley P. + Hugh M. Rockwell zum Patent eingereichte Härteprüfverfahren erfreute sich sehr schnell, aufgrund seiner einfachen Anwendung und Durchführung großer Beliebtheit, das Härteprüfverfahren wurde nach seinen Erfindern Rockwellhärteprüfung benannt. Es dürfte das am meisten eingesetzte Härteprüfverfahren im stationären Bereich sein. Das Prinzip ist verblüffend einfach und basiert auf der Eindringtiefenmessung. Bereits 1908 hatte Prof. P. Ludwig erste Gedanken zur Härteprüfung mittels einer Tiefenmessung gehabt, die Brüder Rockwell haben auf eine elegante Art durch die Einführung der Vorlast, die leidige Festlegung des Nullpunktes bei einer Eindringtiefenmessung gelöst. Die BEDEUTUNG der Rockwellhärte kann gar nicht hoch genug bewertet werden, ein Härter denkt in HRC. So muss der Verfasser einen Vickershärtewert immer in HRC umwerten damit er ohne nachzudenken weiß was gemeint ist, 60 HRC sind für einen Härter eine stehende Größe, bei der er nicht nachdenken muss was Sie bedeuten. Die Rockwellhärte eines Werkstoffs ergibt sich aus der Eindringtiefe eines Prüfkörpers bei Anliegen einer bestimmten Vor- und Prüfkraft. Prüfkörper, -kräfte, -dauer und Einheitenberechnungsformeln sind in der Norm DIN EN ISO 6508-1 festgelegt. Mit einer vorgegebenen Prüfkraft wird der Prüfkörper in die Oberfläche des zu prüfenden Werkstücks vorbelastet. Die Tiefe des Eindringens des Prüfkörpers bei Vorlast dient dabei als Bezugsebene, danach wird der Eindringkörper mit der Hauptlast belastet. Anschließend wird diese wieder zurückgenommen, so dass nur noch die Vorlast wirksam ist. Die Differenz der Eindringtiefen vor und nach Auflegen der Hauptlast ist das Maß für die Rockwellhärte des Werkstoffs. Die Rockwelleinheiten errechnen sich nach einer (je nach angewandter Normskala unterschiedlichen) Formel aus der Eindringtiefe. Die Eindringtiefe des Prüfkörpers wird mit einem Messsystem festgestellt, das mit der Prüfspitze verbunden ist. Nach der ursprünglichen Entwicklung der beiden Verfahren HRC und HRB, wobei hier C für Cone(Kegel) und B für Ball(Kugel) steht, wurden viele weitere Rockwellhärteprüfverfahren entwickelt, wobei der Prinzipielle Prüfablauf immer der gleiche ist. Wichtiger Hinweis Der Anwender muss folgendes Wissen wird die Rockwellhärteprüfung nach DIN EN ISO 6508 durchgeführt, werden andere Härtewerte als nach ASTM E 18 ermittelt. Härteprüfmaschinen die nach ASTM Prüfen sollen müssen anders kalibriert werden, als solche die nach DIN EN ISO 6508 prüfen.	Schematischer Versuchsablauf Vorkraft aufgeben F0 Messuhr nullen Zusätzlich Hauptkraft F1 aufgeben = Prüfgesamtkraft F Hauptkraft F1 aufheben Härtewert an der Messuhr ablesen Vorkraft F0 aufheben Zeitzyklus der HR Härteprüfung Schreibweise der HR Härte Wie bei allen Härteprüfverfahren wird immer erst die Härtezahl dann das Prüfverfahren dann die Prüfbedingungen geschrieben 60 HRC	Zeichnung aus der Patentanmeldung Rockwellverfahren

Härteprüfung nach Knoop

DIN EN ISO 4545, Teil 1-3, Metallische Werkstoffe- Härteprüfung nach Knoop

Härteprüfung Martenshärte

DIN EN ISO 14577, Metallische Werkstoffe - Instrumentierte Eindringprüfung zur Bestimmung der Härte und anderer Werkstoffparameter

Klassische Härteprüfverfahren Prüfgeräte

Härteprüfung nach Brinell	Härteprüfung nach Vickers	Härteprüfung nach Rockwell
Modernes Prüfgerät	Modernes Prüfgerät	Modernes Prüfgerät
DURAVISION von	DURASCAN von	DURAJET von
Älteres Prüfgerät	Älteres Prüfgerät	Älteres Prüfgerät
DIA TESTOR 731	Zwick 3212	Reicherter VA 2

Einzelnachweise

<references>